余 雷，肖蕙蕙，李 山

(重慶理工大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，重慶 400054)

傳統(tǒng)的三相三橋臂逆變電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、功耗小、逆變效率高，但當(dāng)三相的負(fù)載不對稱，或者承受大量的非線性負(fù)載時，就會使三相電壓產(chǎn)生畸變，影響三相電壓對稱輸出［1］。隨著三相負(fù)載不平衡的普遍應(yīng)用，三相四線制逆變電源也逐漸被廣泛使用。目前，使用最多的是帶NFT的三相逆變電源，這種結(jié)構(gòu)在輸出端增加了中點(diǎn)形成變壓器(neutral formed transformer，NFT)，構(gòu)成了變比為1的自耦變壓器，如圖1所示。

圖1 帶NFT的三相逆變電源

NFT的次級繞組的星形接法給不對稱負(fù)載所產(chǎn)生的中性電流提供一個回路來抑制三相不平衡。但NFT的體積、質(zhì)量隨系統(tǒng)容量以及負(fù)載不對稱程度的增加而增加，繞線與接線工藝更加復(fù)雜，NFT的自身功耗也降低了整機(jī)效率。

為了解決逆變電源供電系統(tǒng)帶不平衡負(fù)載引起的電壓畸變和降低整機(jī)成本、提高效率等問題，在圖1所示的電源中加入一對新的橋臂構(gòu)成中點(diǎn)來代替NFT，將此橋臂的引出線與三相輸出公共點(diǎn)連接構(gòu)成中線，從而構(gòu)成三相四橋臂逆變電源［2-3］，如圖 2 所示。

圖2 三相四橋臂逆變電源

通過增加的這對橋臂，直接控制中性點(diǎn)電壓，并且產(chǎn)生中性點(diǎn)電流流入負(fù)載。增加了一對橋臂，也就增加了一個自由度，使三相四橋臂逆變電源具有3個獨(dú)立的可控電壓，從而有能力在不平衡負(fù)載下維持三相電壓的對稱輸出。

1 三相四橋臂逆變電源狀態(tài)分析

三相四橋臂逆變電源可以看成3個單相逆變器的組合，VT1、VT2、VT7、VT8 構(gòu)成 A 相逆變器，同理，VT3、VT4、VT7、VT8 構(gòu)成 B 相逆變器，VT5、VT6、VT7、VT8構(gòu)成C相逆變器。3個單相逆變器共用VT7和VT8組成的這對橋臂。三相四橋臂逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有4對橋臂，每對橋臂有2種開關(guān)方式，即上管導(dǎo)通、下管關(guān)斷或者下管導(dǎo)通、上管關(guān)斷，4對橋臂一共組成16種開關(guān)組合狀態(tài)，由圖2可以看出，各對橋臂的開關(guān)狀態(tài)用狀態(tài)符號 Si表示［4］。

式中:i=A，B，C，N，分別代表 A相、B 相、C 相和N相。

三相四橋臂逆變電源各狀態(tài)及處于此狀態(tài)的各相電壓值，如表1所示。

表1 三相四橋臂逆變電源狀態(tài)表

由表1可以看出，0000和1111兩種開關(guān)狀態(tài)是一樣的，這2種開關(guān)狀態(tài)下，三相電路處于自由續(xù)流狀態(tài)，所以三相四橋臂逆變電源一共有15種有效的開關(guān)狀態(tài)。表1中的VAN、VBN、VCN為三相輸出電壓，當(dāng)SN的開關(guān)狀態(tài)為1，A、B、C三相任意一相開關(guān)狀態(tài)為0時，則該相輸出電壓為反向電壓-E;當(dāng)SN的開關(guān)狀態(tài)為0，A、B、C三相任意一相開關(guān)狀態(tài)為1時，則該相輸出電壓為正向電壓+E。

2 3D-SVPWM調(diào)制

3D-SVPWM即三維空間矢量脈寬調(diào)制，其主要思想是以三相對稱正弦波電壓供電時三相對稱電動機(jī)定子理想磁鏈圓為參考標(biāo)準(zhǔn)，以三相逆變器不同開關(guān)模式作適當(dāng)?shù)那袚Q，產(chǎn)生不同的電壓矢量控制實際輸出的磁鏈?zhǔn)噶浚蛊滠壽E逼近圓形［4］。在三相四橋臂逆變電源的空間矢量調(diào)制中，普遍方法是將a-b-c靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為αβ-γ旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，由于增加了一個橋臂，參考電壓矢量軌跡由二維變?yōu)槿S，實際上這種變換增加了控制的復(fù)雜程度，而在a-b-c靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行空間矢量合成可以省去坐標(biāo)系變換中復(fù)雜的矩陣變換，其方法更為簡單［5］。

將表1的16種開關(guān)狀態(tài)分別表示為16個開關(guān)矢量，如表2所示。

表2 開關(guān)狀態(tài)與開關(guān)矢量對應(yīng)表

圖3 逆變器a-b-c坐標(biāo)系下開關(guān)矢量圖

由圖4得，所有開關(guān)矢量與坐標(biāo)軸平行或成45°角，因此可以用平面和將控制區(qū)域分割成24個空間四面體。每一個空間四面體由2個零矢量和3個非零矢量構(gòu)成，由此來判斷給定參考電壓矢量的位置。

為了使判斷簡單化，做如下定義:

確定了24個空間四面體，需計算出3個非零矢量和零矢量所對應(yīng)占空比，其中零矢量的作用時間d0=1-d1-d2-d3，共2個零矢量分別作用時間d0/2。非零矢量作用時間

對于任意時刻的合成矢量，首先確定其所在的四面體的3個非零矢量，然后加上2個零矢量來合理安排開關(guān)矢量作用時間順序。本文選用雙零矢量開關(guān)組合調(diào)制方式，這種對稱排列方式使得THD最小，波形質(zhì)量更好。以RP=23時各矢量開關(guān)占空比排列方式為例，此時RP對應(yīng)的開關(guān)矢量為，開關(guān)的排列順序如圖4所示。

圖4 雙零矢量開關(guān)組合

3 前饋補(bǔ)償控制

三相四橋臂逆變電源中，將三相濾波電感看成電源內(nèi)部阻抗，當(dāng)帶不對稱負(fù)載較重時，造成濾波電感產(chǎn)生的壓降較大，使三相輸出電壓不對稱輸出。本研究將三相濾波電感上損失的電壓作為前饋補(bǔ)償，補(bǔ)償疊加給各相輸出電壓參考給定值，就可以得到給定要求的三相對稱輸出電壓［6］，如圖5所示。

4 系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)以上分析，運(yùn)用仿真軟件Matlab/Simulink對三相四橋臂逆變電源進(jìn)行系統(tǒng)仿真［7-8］?；痉抡鎱?shù):輸入直流電壓400 V;濾波電容30 μF;濾波電感2 mH;額定輸出電壓220 V;輸出頻率50 Hz;開關(guān)頻率10 kHz;三相不對稱阻性負(fù)載1:Za=5 Ω，Zb=1 Ω，Zc=30 Ω;三相不對稱阻感負(fù)載 2:Za=5Ω +50mH，Zb=30 Ω，Zc=5Ω +2mH。分別對逆變系統(tǒng)2種不對稱負(fù)載進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 加前饋補(bǔ)償?shù)?D-SVPWM控制原理

由仿真結(jié)果得到數(shù)據(jù)(表3)，表明帶不對稱負(fù)載條件下三相輸出相電壓加前饋補(bǔ)償控制依然能夠保持對稱輸出，例如不對稱負(fù)載1中不加前饋補(bǔ)償?shù)娜噍敵鱿嚯妷篢HD均高于3%，加前饋補(bǔ)償控制后三相THD分別為1.48%，1.56%，1.72%，三相輸出相電壓波形得到顯著的改善。

表3 仿真結(jié)果分析

圖6 不對稱負(fù)載三相輸出電壓仿真圖

5 結(jié)束語

三相四橋臂逆變電源減小了電源體積和質(zhì)量，降低了整機(jī)成本，提高了直流母線側(cè)電壓利用率和整機(jī)效率。本文采用的3D-SVPWM與前饋補(bǔ)償控制基本實現(xiàn)了三相逆變電路的電壓解耦控制，使各相能實現(xiàn)獨(dú)立調(diào)節(jié)。逆變控制系統(tǒng)具有帶不對稱負(fù)載的良好控制性能。

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